利用简正波频散特征映射方法进行海洋环境参数反演

浅海波导中传播的脉冲信号可以通过频散特征映射方法(warping变换)进行简正波的有效分离,这使得频散曲线的获取更加容易和准确.利用简正波频散特征映射方法分析2010年南海声层析实验中单个阵元接收的声学信号,有效分离出各号简正波,并进一步通过Wigner-Ville分布处理提取出波导中各号简正波的频散曲线.将提取的频散曲线与理论计算到达时差进行匹配,实现了利用单水听器信号的海洋环境参数反演.实验结果表明:将简正波分离与Wigner-Ville分布相结合可有效消除Wigner-Ville分布在估计多分量信号时的交叉干扰,提取的频散特征可很好地用于同时反演海水和海底声速剖面。为评价反演结果的有效性,对反演结果进行了后验概率分析,并将一小时内的海水声速剖面反演结果与温度链实测值作对比,二者符合较好.      

深海低声速沉积层简正波用于海底参数反演*

现有深海地声参数反演研究通常基于全波场理论,存在计算量大、多值性以及需要准确的水文环境信息等问题。针对这一问题,提出一种基于简正波频散特征的深海低声速沉积层海底参数反演方法。在南海北部大陆坡海域的一次实验中,坐底式水听器(深度约1740 m)接收的沉底弹信号中观察到一种低频成分先到而高频成分后至的到达结构,由被限制在低声速沉积层的简正波组成。通过匹配沉积层简正波60-220 Hz频段内的到达时间差对实验海域的低声速海底参数进行反演,得到沉积层厚度为16.4 m,沉积层声速为1450.5 m/s,与底质采样数据比较吻合,且具有较高的可信度,验证了所提方法的有效性。由于沉积层密度对简正波频散特征的敏感性较差,其反演结果可信度不是很高,需要进一步研究。     

一种地声参数的联合反演方法

根据地声参数对不同声场物理量影响不同,提出了一种利用简正波频散特征结合声传播损失反演地声参数的联合反演方法。首先,考虑到简正波的频散特性(群速度)对海底的密度和声速较为敏感,而对海底吸收系数不敏感,利用自适应时频分析方法,获得不同频率不同号数简正波的到达时间差,以此作为代价函数,采用全局优化算法,反演出海底密度和海底声速的分层结构,并用概率统计的方法评价反演结果的有效性。反演出海底密度和声速后,利用实验船辐射噪声得到随距离连续的声传播损失来反演出海底吸收系数。最后,把反演的参数很好的用于声源匹配定位验证了反演结果的有效性。      

基于自适应时频分析的海底参数反演

通过一种自适应时频分析方法获取浅海简正波信号的群延迟数据,与简正波群延迟特性相匹配,从而实现了在单水听器信号基础上进行海底声速、密度等参数的反演。利用反演参数计算得到的1-4号简正波群速度与通过时频分析得到的实验结果符合的很好,对于海水深度、沉积层深度、声速、密度等参数给出了可靠的反演结果,实验数据处理结果表明这是一种简单、快速而有效的参数反演方法。     

一种浅海声简正波近场分离方法

针对浅海环境下声简正波的近场分离问题,提出了一种基于频率-波数(Frequency-Wavenumber,F-K)变换的分离方法。该方法通过对由近场水平多道接收信号所组成的水声信号矩阵进行F-K变换,将二维接收信号矩阵从时间-空间域转换至频率-波数域,由提取频率-波数域上各阶简正波各频点的波数实现对信号中各阶简正波的分离及频散特性提取。数值模拟和水池实验对本方法在实际研究中的可靠性和有效性进行了验证,表明在500 m距离内利用本方法能可靠分离Pekeris波导中200 Hz以下各阶简正波。      

一种基于简正波模态频散的远距离宽带海底参数反演方法

在浅海环境中, 海底环境参数对声传播有着重要的影响. 由于利用单个宽带声源进行海底参数反演时, 随着距离的增大, 误差变大, 本文提出利用warping变换对在浅海波导中传播的, 不同距离上的两个宽带爆炸声源进行简正波的有效分离, 实现了宽带爆炸声源的远距离海底参数反演. 采用全局寻优遗传算法对提取出的模态频散到达时间差与理论计算的模态频散到达时间差进行匹配处理, 并结合随距离连续变化的声传播损失, 实现了利用单水听器进行海底参数的反演. 实验结果表明: 运用反演出的海底参数提取模态频散时间差和实测数据提取出的模态频散时间差吻合得较好; 而通过传播损失反演得到的海底衰减系数与频率呈指数关系. 最后, 对反演结果进行了后验概率分析, 并将本组爆炸声源的反演结果用于另一组不同距离上爆炸声源时仍然有效, 来评价反演结果的有效性.     

利用气枪声源数据的地声参数反演*

本文通过对东海采集的气枪声源数据进行处理,基于地声参数对不同声场观测量的敏感性差异,利用分步反演的策略进行分析。首先选择距离接收阵七个不同的距离点数据,通过warping变换准确提取第三阶至第八阶简正波的频散曲线;利用海底声速对频散曲线敏感的特性来反演声速;由Hamilton经验公式求得海底密度;通过传播损失拟合获得海底衰减。不同距离点数据反演的海底声速与密度一致性较高。实验提取的频散曲线和和反演参数仿真结果、实验获取的传播损失与反演参数获得传播损失均拟合较好。     

运动声源与接收器的脉冲简正波传播

基于简正波声场理论,导出了声源和接收器运动情况下窄带脉冲声传播的表式。分析了窄带脉冲声的单个简正波Doppler频移特性。通过研究接收与发射脉冲信号的相关,给出了窄带脉冲信号的Doppler匹配条件以及Doppler频移补偿间隔的般表式。浅海55 km的D0ppler频移补偿实验验证了理论结果。     

一种基于单水听器的浅海水下声源被动测距方法

针对浅海波导中宽带脉冲声源的被动测距问题,本文在群延迟理论的基础上,与warping变换处理相结合,提出了一种适用于浅海波导中宽带声源的单水听器被动测距方法.利用warping变换可以实现对脉冲声源接收信号各阶简正波的分离提取,对分离后的简正波进行时频分析处理可以得到各阶简正波到达时刻和频率之间的关系,即各阶简正波的频散曲线,从而得到任意两阶简正波到达接收水听器的时延差.海底相移参数P是描述海底地声参数的一个重要参量,包含了海底地声参数信息,在海底环境参数未知而P已知的情况下,利用P和简正波水平波数之间的关系可以求得任意两阶简正波的?S_(g,mn)(群慢差).根据群延迟理论,利用得到的任意两阶简正波的时延和?S_(g,mn)可实现利用单水听器对水下声源进行被动测距.本文提出的测距方法测量简单、计算方便,具有较强的实用意义.数值仿真和海上实验数据处理结果的测距误差都在10%以内,证明了该方法的有效性.     

一种基于简正波模态消频散变换的声源距离深度估计方法

针对浅海环境中传播的低频宽带水声脉冲信号,基于简正波水平波数差和波导不变量之间的关系,本文提出了一种利用距离-频散参数二维平面聚焦测距与匹配模态能量定深的目标声源定位方法.首先,通过将由频散参数和波导不变量表示的前几阶模态相速度与由环境模型计算的相速度进行对比分析,从而估计出前几阶模态的频散参数和环境的波导不变量.其次,利用估计出的频散参数值和波导不变量对接收信号进行消频散变换处理,只有当接收信号的距离参数等于目标声源距离时,各号简正波的幅度均达到最大值,在距离-频散参数二维平面上,出现声压聚焦的现象,利用此现象可以估计目标声源的距离.不仅如此,消频散变换后的接收信号,前几阶模态在时域上明显地分离开来,可以准确地估计出前几阶模态的能量,采用多模态能量匹配的方式,可以估计出目标声源的深度.最后,通过对仿真和冬季获得的气枪信号数据处理结果验证了本文方法的有效性.     

内孤立波特征长度估计方法与验证

针对内孤立波特征参数估计问题,研究了一种基于简正波耦合的内孤立波特征长度估计方法,完成了密度分层流体介质内波水槽实验验证。根据各阶简正波之间的能量耦合规律,提出了简正波水平波数差与内孤立波特征长度的数学关系。结合抛物方程建立了浅海内孤立波场仿真模型,分析了内孤立波声散射特性对声场前向传播的影响,数值结果表明,在某个特定频率上声传播损失有显著起伏。比较分析该声源频率激发的简正波耦合波数差与原设定值,推导了最优估计关系式。搭建了内孤立波水槽的缩比实验系统,通过研制的宽带瞬态等离子体声源和特定水听器阵列完成了内孤立波的前向声散射数据收集,比较了水槽实验条件下得到的估计值与设定值,实验结果验证了估计方法的可行性。     

利用浅海声场干涉条纹反演海底参数方法研究

浅海频散特性导致声场在距离-频率平面形成干涉条纹,该干涉条纹蕴含着声源以及海底信息。本文通过降噪、滤波等方法,提取船舶辐射噪声干涉条纹中距离域干涉准周期、波导不变量以及去扩展衰减系数(不考虑扩展损失后接收到噪声级随距离的衰减程度)三种特征量的观测值,基于无限均匀沉积层海底模型,采用简正波计算程序理论计算上述三种特征量作为拷贝,提出一种以模拟退火法作为搜索寻优策略的新的匹配反演海底参数的方法。海试数据处理结果表明,该方法反演估计所得海底密度、声速、衰减系数三参数用于浅海负跃层条件下的声场预报效果比较良好。     

浅海中简正波的衰减与群速

本文从均匀浅海的频散方程出发导出了计算简正波衰减与群速的公式,并通过数值例子比较了它们的精度。文中特别讨论了临界简正波的衰减与群速,证明Pekeris浅海中临界简正波的衰减与群速一般小于海底吸收与声速,从而修正了 Kornhauser,Raney,Weston与Tindle关于临界简正波衰减与群速正好等于海底吸收与声速的结论。     

根据非线性贝叶斯理论的界面波频散曲线反演

通过时频分析法从海底环境噪声数据中提取界面波频散曲线,进而采用非线性贝叶斯反演方法估算海底沉积物厚度、剪切波速度、压缩波速度和密度等参数及其不确定性。参数的最大后验概率(MAP)估计值和边缘概率分布分别通过自适应单纯形模拟退火法和Metropolis-Hastings采样法在各参数先验区间内搜索获得,采用贝叶斯信息准则(BIC)从不同参数化模型中选择最优模型。界面波频散曲线反演结果表明:满足实测数据的最优海底模型结构为3层均匀分布剪切波速度剖面结构,海底深度的反演精度在800m以内,比起压缩波速度和密度,剪切波速度的不确定性更小,对界面波频散曲线更敏感。      

基于模式能量比的海底声衰减系数反演

简正波的分离性能对简正波频散曲线、模式能量比等物理量的提取至关重要,这些物理量可以用来反演海底地声参数。本文分析了短时傅里叶变换(STFT)和warping变换两种方法在简正波分离上的性能的差异,并利用该两种方法提取模式能量比来反演海底声衰减系数。仿真实验和2018年冬季北海实验数据处理表明,warping变换在简正波分离上具有较大的优势,尤其是在近距离接收上。     

浅海环境噪声垂直指向性探测海底参数

浅海环境噪声垂直指向性和海底地声参数密切相关,可以利用它来反演海底参数。本文在水平分层介质噪声场模型下,讨论了海底参数对噪声垂直指向性的敏感度,并假设半无限大液态海底,采用效率较高的自适应单纯形模拟退火算法全局寻优,根据中国某海区实测噪声数据,估计了海底声速、密度及衰减,分析了反演结果的不确定性。鉴于声速和密度在不同频率的反演结果不够一致,文中提出多频海底参数联合反演方法,提高了反演海底声学参数的精度。     

海洋波导中刚性球及旋转椭球前向散射场时频特征的畸变

利用波导中目标声散射理论的简正波方法,数值模拟了自由空间和浅海均匀波导中刚性球、旋转椭球的散射场,分析了波导中刚性体前向散射时频特征的畸变规律。仿真结果表明:波导中刚性体的前向散射时域波形与频谱特征受波导制约;目标散射场的固有特征受波导色散特征的调制,时频谱上呈现出由于色散的简正波间的耦合而导致各简正波能量条纹界限模糊的现象。时频特征的畸变程度与组成散射共振系统的波导、目标的尺度以及散射体布放深度有关,随波导底质透声能力和深度增加、散射体散射强度(信混比)增强而减弱。      

流体-镀层基底界面波的传播特性

理论分析了脉冲激光激发的流体-分层固体结构声场,在此基础上数值计算了流体-慢层快底固体和流体-快层慢底固体结构液-固界面Scholte波的频散特性与瞬态响应.数值结果显示,对于流体-慢层快底结构,Scholte界面波呈现出正常频散特性;而对于流体-快层慢底结构,Scholte波在较小的频厚积范围呈反常频散特性.理论瞬态信号也显示了同样的特性.采用脉冲激光激励,用水听器接收的方式进行了Scholte界面波的实验测量.实验测量和分析结果与理论结果有很好的一致性.此工作可为水浸检测条件下镀层与薄膜材料参数的超声无损表征、海底沉积物参数反演等应用提供理论基础.     

水平阵信号压缩感知用于简正波分离

针对水平阵信号简正波分离过程中常规波束形成分辨率低以及warping模态滤波不适用于复杂声信号的问题,提出水平阵信号压缩感知用于简正波分离的方法。利用压缩感知在方位估计中的高分辨特性,通过估计水平阵接收信号在频率方位角上的二维分布,分离得到各阶简正波的方位谱,并逆Fourier变换得到时域波形。仿真孔径1 km、阵元间隔10 m水平阵接收20~200 Hz伪随机声信号和脉冲声信号,所提方法分离出的各阶简正波与理论波形的相关系数在0.97~1.0。对2011年北黄海声学实验中的海底28元水平阵接收的气枪信号,在合成至1 km孔径后使用压缩感知方法分离简正波,其与warping模态滤波分离得的前5阶简正波相关系数在0.82~0.93。仿真与实验都说明了水平阵信号压缩感知简正波分离方法的有效性。      

由简正波群延时及幅度反演海底参数

由简正波过滤技术得到1号与2号简正波群延时及幅度。通过匹配简正波群延时差来反演海底的声速、密度等参数,衰减系数由简正波的幅度反演得到。遗传算法用来在参数域内搜索待反演的参数。在 200～500 Hz频率范围内海底衰减系数随频率的变化关系为α=0.29f1.9dB/m（f的单位为 kHz）。最后给出由反演出的参数计算得到的传播损失与实验的声传播损失数据的比较,结果符合的较好。